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个性鲜明的卤族元素

2020-09-03 02:22:25 知识就是力量 2020年9期

曲建翘 吴义梅

氯:一日三餐离不开 

科学家在发现氯气前,就发明了盐酸。把食盐加入浓硫酸,所产生的气体用水吸收后,便会形成一种有酸性的液体——盐酸。

单质的氯第一次是用盐酸加软锰粉制出来的。18世纪70年代,瑞典化学家舍勒將软锰矿(主要成分是MnO?)与浓盐酸混合加热,产生了一种黄绿色、有刺激性气味的气体。受当时流行学说的影响,舍勒未能确认这种气体。直到1810年,英国化学家戴维以大量事实为依据,才确认这种气体是一种新元素组成的单质——氯气。从氯气的发现到氯被确认为是一种新的元素,过程长达三十多年,其间经历了数位科学家的不懈探索。

英国化学家戴维(图片来源/维基百科)

氯气呈黄绿色、有刺激性气味

氯的应用十分广泛,尤其在消毒方面对人类贡献极大,如在各种自然灾害(洪涝、地震等)过后,含氯消毒剂就会派上用场,同时,生活饮用水、医院污水、废水处理厂等也均离不开含氯消毒剂。

1974年,科学家分别从荷兰和美国的城市自来水中检出了以氯仿为主的三氯甲烷有机物,此后,随着相关研究的不断深入,研究人员发现自来水中有765种有害于人体健康的有机物,其中致癌物有20种,可疑致癌物23种,促癌物有18种,诱变物质有56种。除致癌物外,还有可引起人肝中毒、神经中毒、代谢紊乱等危害的物质,因此,研究人员开展了大量氯代用品的研究工作,其中二氧化氯是最有前途的一种消毒代替品。

含有氯气的池水

不含氯气的纯天然泉水

二氧化氯是一种高效氧化剂,其氧化能力是氯的2.5倍,对细胞具有较强的吸附和穿透力,可有效氧化细胞内含巯基的酶,还可以快速抑制微生物蛋白质的合成,从而破坏微生物。二氧化氯除对一般细胞有杀死作用外,对芽孢、病毒、藻类、铁细菌、硫酸盐还原菌和真菌等均有很好的杀灭作用。

二氧化氯是第四代消毒产品(第一代消毒产品有效成分是氯酸钠,生活中常见的产品为84消毒液;第二代消毒产品有效成分是对氯间二甲苯酚,其成本较高,有轻微毒性,同时也有轻微腐蚀性,生活中常见的产品为滴露消毒液、威露士消毒液等;第三代消毒产品有效成分是单双链复合季铵盐,生活中常见的产品为安洁全效除菌液等,其消毒杀菌率很高,但长期使用易使细菌病毒产生抗药性),被世界卫生组织和世界粮食组织列为A1级安全高效消毒剂。为控制饮用水中“三致物质”(致癌、致畸、致突变)的产生,欧美发达国家已广泛应用二氧化氯替代氯气进行饮用水的消毒。

化学武器的始祖

1915年4月22日,在第一次世界大战的比利时战场上,英法联军在战壕里与德军对峙着。突然,从处于上风口的德军阵地上升起一股黄绿色的云团,一直飘向处于下风口的英法阵地,随着黄绿色的气体涌来,毫无准备的两万余名英法联军士兵猝不及防,先是出现咳嗽,喘息,继而大多士兵因中毒而死亡。这些黄绿色的云团就是氯气,而这也是氯气在人类战争史上的第一次“亮相”,也正是这次行动标志着人类放出了化学武器这个恐怖的恶魔。

自来水的制备示意图

战争催生科技的发展。事后,科学家们注意到了一个奇怪的现象。原来,在德军施放毒气弹的地区,除了联军士兵和居民的尸体外,各种飞禽、牛、羊、马、狗也惨遭毒害。可是,猪却大量地活着,并没有中毒的迹象。那么,猪为什么没有中毒呢?

一战时佩戴防毒面具的土兵和战马(图片来源/维基百科)

原来,猪比其他畜牧的嗅觉灵敏得多,它们很早就能闻到异味,马上拼命逃窜。当逃不出去时,它们就拼命地刨土,然后把长鼻子插入刨松的泥土中“闭目养神”。毒气散尽后,其他动物都死了,它们却不慌不忙地从土中拔出鼻子,用力把鼻孔中的土粒喷出,然后就跟没事一样跑了起来。由此,科学家研发出世界上第一个类似猪鼻子形状的防毒面具,此后,防毒面具又经过不断改良,现在,新型、优良的防毒面具已装备到各国的军队以应对生化武器危害。

溴:沉睡海底千年的美人

1824年,法国化学家巴拉尔将从大西洋和地中海沿岸采集到的黑角菜燃烧成灰,然后用浸泡的方法得到一种黑灰色的浸取液。他往浸取液中加入氯水和淀粉,溶液即分为两层:下层显蓝色,这是淀粉与溶液中的碘反应生成的;上层显棕黄色,这是从前没有见过的现象。巴拉尔试图把新的化合物分开,他用乙醚将棕黄色的物质提取出来,再加入苛性钾(一般指氢氧化钾),则棕黄色褪掉;把溶液加热蒸发至干,剩下的物质则像氯化钾一样;把剩下的物质与硫酸、二氧化锰共热,则产生红棕色有恶臭的气体,冷凝后变为深红棕色液体。1826年8月14日,法国科学院审定了巴拉尔的报告后,充分肯定了他的实验结果,并建议将新元素改称为溴。

溴液体及气体呈红棕色

巴拉尔发现溴的消息公布以后,德国有两位化学家曾追悔莫及,因为他们都错失了发现新元素的良机。其中之一就是德国著名的有机化学家李比希。李比希曾接受一家制盐厂的请求,考察母液中含有什么成分。在分析的过程中,他发现往母液中加入淀粉碘化物,过夜后母液变为黄色;再将母液通入氯气进行蒸馏,得到一种黄色液体。他没有多加分析研究就断定该液体是氯化碘,并在装液体的瓶子上贴了氯化碘的标签。殊不知这种黄色物质并不是氯化碘而是溴。

溴及其化合物在人类生产生活中有广泛应用。大量的溴用于制造感光材料和染料、化学试剂及医学药物等,家用药箱中的必备药品红汞就是溴汞化合物。溴可以经呼吸道和皮肤进入人体,主要经呼吸道排出体外,其毒作用与氯相似,对呼吸道及肺有强烈刺激作用,对皮肤有刺激和腐蚀作用。

德国化学家李比希(图片来源/维基百科)

碘:智力元素

和科学史上的很多重要发现一样,碘的发现充满了意外。碘是法国化学家贝尔纳·库尔图瓦在1811年发现的。当时,库尔图瓦发觉到盛装海草灰溶液的铜制容器很快就会遭到腐蚀,他认为是海草灰溶液含有的一种不明物质在与铜作用。他将硫酸倾倒进海草灰溶液中,发现产生了一股艳丽的紫色气体。这种气体在冷凝后不形成液體,却变成暗黑色带有金属光泽的结晶体。库尔图瓦把他取得的这种晶体送请当时的法国化学家克莱门、德索梅、盖·吕萨克等人进行研究鉴定,后来由盖·吕萨克命名为碘。

碘伏消毒温和、无刺激

19世纪30年代,人们将碘与酒精混合到一起发明了碘酒,并很快获得了美国药典的承认,在之后的美国南北战争中,碘酒挽救了大量的生命,自此以后碘酒在世界上广获使用。虽然碘酒有很好的消毒作用,但缺陷也比较明显,它的腐蚀性和刺激性过大,不能用于黏膜和伤口的消毒,后来为了解决碘酒的消毒缺陷,人们在20世纪50年代发明了碘伏,也就是碘和表面活性剂的络合物,也叫络碘或络合碘,它对皮肤无刺激性,性能稳定、温和,可以与水任意比例混合,中国在20世纪80、90年代开始广泛使用碘伏。

碘升华为紫色气体

除了碘酒和碘伏,人们对碘的认识莫过于加碘的食盐了。碘是人体所必需的微量元素,在人体内主要存在于颈部的甲状腺。甲状腺是人体内最大的内分泌腺,由它合成和分泌的甲状腺激素,有促进组织代谢和身体发育的作用,可促使各组织器官生长、发育、分化、成熟,对人类的生长、智力发育以及繁衍起着巨大的作用。2018年,国家卫生健康委员会疾病预防控制局委托专家编写了《中国居民补碘指南》,做到既消除碘缺乏病、又防止碘过量危害,为防治碘缺乏病和高碘危害提供依据。

甲状腺激素合成过程图解(图片来源/维基百科)

《中国居民补碘指南》指出,中国是世界上碘缺乏病分布广泛、病情较严重的国家之一,因此,碘缺乏病防治是一项长期工作,应坚持不懈。另外,当前中国居民中一般人群整体处于碘营养适宜的状态,但特需人群还面临碘营养缺乏的风险。妊娠女性、哺乳女性、婴幼儿等人群是碘的特需人群,儿童和青少年是碘缺乏病防治的重点人群,在日常生活中这部分人群尤应注意充分补碘。